第三章常用的拓扑电路本章介绍公司常用的一些拓扑电路第一节BUCK降压电路BUCK电路是最简单基本电路拓扑0—，这节将介绍BUCK电路的基本原理和主要元器件参数的选取TAVs些°KDi(图1BUCK降压基本电路图图2BUCK基本电路的简化模型图4开关管关断时的电路图1是BUCK降压基本电路图，它由开关管Tr、电感L、续流二极管D和输出滤波电容C组成BUCK基本电路的简化模型如图2所示，电路的工作过程是这样的：（1）当开关管导通时，此时电路模型如图3,工作时序如图5,输入电流经过电感L为输出负载提供能最，并给电感L和电容C充电，电感储存能最；（2）当开关管断开时，此时电路模型如图4,电感、电容储存的能駅被释放出來，为输出负载提供能最如果开关管断开后电感电流在卜•一个开关周期到來时已经卜降到零，称此工作模式为断续丁作模式，如果电感电流没有卜降到零，则称为连续工作模式0iLfI!VOII0（R连续工作模式图5BUCk变换器的工作时序伏•秒平衡原理：磁性元件在一个开关周期之后，磁路中的磁感应强度E回到起始处,即一个开关周期中磁感应强度的变化炭为零，表现为开关管导通时电感两端的电压与开通时间的乘积同开关管断开时电感两端的电压与断开时间的乘积相等，这就是伏•秒平衡。
连续工作模式卜•，电路处r稳态时，电感两端的电压满足伏•秒平衡，则有:(ys-V^DTs=Vf\l-DyTs(1)式中匕变换器的输入电压；D开关管的导通占空比:Ts开关周期；V变换器的输出电压根据（1）得到:V』=D（2）由于DV1,所以BUCK电路是一个降压电路根据图5,可以求出一个开关周期内，电感电流的脉动量为：V-VMl=一DTS（3）L当输出电流人＞斗，电路处于连续工作模式；当输出电流，电路处临界工作状态；当输出电流人＜丄仏「，电路处J：断续工作模式根据（3）和连续模式工作条2件，可以得到连续工作模式卜电感应满足的条件：厶〉(1")疔2£•厶(4)(8)(9)(8)(9)式中p°£认是输出功率卜而來求给定输出电压纹波允许值△"的情况卜电容应满足的条件根据电容电压与电容电流的关系:(5)duItW：(6)（6）中，△"是电容上的电压脉动，40是对输出滤波电容的充电和放电电流根据图1和图5,在两次滤波电感电流与输出负载电流相等的时刻Z间正式输出电压最低值和最高值间的转换，由（6）需要求出电流对电容的充电或者放电的电\Qo由（1）和（3）可得电感电流的脉动量为:(7)则电流对•电容的充电或者放电的电最Ag为:由（6）和（8）可得要使电容上的电压脉动小电容需耍满足的条件是:(8)(9)RVo第二节BOOST升压电路BOOST升压电路是最常用的电路拓扑之一，公司里主要用J：PFC电路以及人机中的电池工作模式中的DC-DC升压。
图1是BOOST变换器的基本电路，它由电感L、开关管Q、二极管D和输出滤波电容C组成，电路的工作过程如卜•：（1）如图2为开关管Q导通时的电路，此时电源对电感充电，电感储存能量，电容C放电为负载R提供能鼠；（2）开关管截止时的电路如图3,此时电感两端的电压极性反向,与输入电源电压极性同向，电感释放能最，既给电容充电又为输出负载提供能最如果开关管断开后电感电流在H一个开关周期到來时已经卜•降到零，称此工作模式为断续工作模式，如果电感电流没有卜•降到零,则称为连续工作模式3)图4是电路工作时电感两端的电压波形和流过电感的电流波形图当电路工作处「•连续工作模式的稳态时，满足v・s平衡，由U・S平衡原理有：式中匕输入电压;V输出电压;Ts开关周期;D开关导通占空比由（1）式可得到:V.1-D岭・D・7>（匕-匕）（1-巧鸟(1)(2)由FD<1，所以由（2）式可得BOOST是升压电路在一个开关周期中，电感电流的图4电感电涼和电感两端的电压波形脉动为:(3)由图4可以得到连续工作模式时的条件为:(3)(4)其中/是输出负载电流，由卜式决定根据（2）.（3）、（4）、（5）可得到连续工作模式时电感应满足的条件:(6)式中巳输出功率;(4)(4)开关频率;巳的表达式为:P产(4)仿照Buck变换器中给定输出电压纹波允许值△"的情况卜电容应满足的条件推导过程可以求得输出滤波电容满足的条件：第三节Flyback电路单端反激（Flyback）电路是一种隔离型的拓扑电路，变压器为其隔离元件，变压器的输入与输出可以不共地，以实现多路输出。
在公司中的电源模组中应用广泛1、工作原理在理想条件卜分析电路的工作原理如图1是Flyback基本电路，图2中（a）是连续丁作模式时序图，（b）是断续工作模式时序图，电路的工作过程如卜•：（1）当开关管T导通时，输入电源妁给变压器初级绕组电感厶充电，变压器储存能最,变压器输出电路中靠输出滤波电容C放电给负载心提供能崑，二极管D反偏而截止：（2）当开关管T截止时，变压器储存的能斎通过次级绕组电感厶释放出來，＞0,迫使二极管D导通，冬被箝位到如，电感释放的能最一方面给滤波电容C°充电，同时为负载凡提供能最当电路处稳态时，如果开关管开通时刻初级电感电流不是从零开始增长，则称此时电路的工作模式为连续工作模式(CCM),图2(a)是CCM工作模式的时序图；如果开关管开通时刻初级电感电流是从零开始増长，即开关管开通前，次极电感已经将变压器储存的能量释放完，则称此时电路的工作模式为不连续工作模式(DCM),图2(b)是DCM工作模式的时序图在连续工作模式情况卜，当电路处稳态时，变压器初级绕组电感两端电压满足平衡，由平衡原理可得：N=十•(/「(I—D)g(1)式中匕输入直流电压；输出直流电压：变压器原边绕组厶的线圈匝数；变压器副边绕组厶的线圈匝数:D开关管导通占空比；Ts开关管的开关周期。
由(1)可得到输出与输入电压Z间的关系：仏亠丄⑵匕n「-d由(2)式可见，Flyback电路是升降压型变换器与连续工作模式相比，不连续模式工作模式具有电流峰人的缺点，但它比连续工作模式应用更广泛，原因有两个：第一，连续模式本身的变压器励磁电感小而响应快，且输出负载电流和输入电压突变时，输出电压瞬态尖峰小；第二，由「连续模式本身的特性(其传递函数具有右半平而零点)，必须人幅减小误差放人器带宽才能使反馈环稳定为此来推导DCM工作模式下输出与输入电压之间的关系由图2(b)和图1,根据平衡原理可得：NUdTsDp.U°DjT,⑶流过变压器原边绕组电感厶的电流峰值为:(4)匚是变压器原边线圈的电流峰值在电路状态更迭瞬间，由电感电流不能突变，则有如卜等式成立:(5)稳态时，输出负载电流的平均值的平均值相等:(6)由(3)〜(6)可以导出DCM工作模式卜输出与输入电压之间的关系:(7)ru0Xrd2txWd丿2•厶由(7)可得：(8)为输出负载临界状态时，Dp=\-D.结合(4)〜(6)得到临界状态初级电感应满足的条件:N\UjTjR他2・匕(9)临界状态（2）仍满足，消去上式中的"、他得到:式中人开关频率;输出负载电流;2・1。
・人(10)非连续模式下初级电感应满足的条件是:2・"(11)很容易推导出给定输出电压纹波允许值△"的情况卜电容应满足的条件为:巳(1-D)(12)上式中匕£认是输出功率2、设计步骤-＞确定初.次级匝数比设计变压器时设计顺序很重要,首先应确定匝比NJN"因为匝比决定了不考虑漏感尖峰时开关管可承受的最人关断电压应力U加如果忽略漏感尖峰并设整流管压降为IV,则直流输入电压最人时开关管的最丿、电压应力为————N几詡d+寸（匕+1）（⑵式中眄为最人直流输入気参数选择应使石尽鼠小，以保证即使有0.3匕的漏感尖峰叠加于兀，对开关管的极限值（“心、U心、Ucev）仍留有30%的裕度二、保证磁心不饱和且电路始终工作于DCM模式为使磁心不偏离其磁滞回线（上、卜•方向饱和），必须保证变压器正负伏秒平衡设开关管T和二极管D导通压降都是IV,则有—N归-呵=（U小寸D亿（13）Ud是输入最低直流鼠，万是开关管导通的最人占空比，为变压器的复位时间，也是(14)(15)(16)(17)(18)所需铜导因此次级次级电流降为零所需的时间为使变压器工作在DCM模式，必须留出0.27；的裕量，即DTs+=0.87；匕和“确定后，NJN,可由（⑵求出，再联立（13）、（14）可得:帀=（/+1）（M/NJO・87；厂（当一1）+（匕+1）的/“）三、初级电感与最小输出及直流输入电压的关系设变换器的效率为80%,则输入电压与输入功率的关系为1.25尤_%（厶：）飞tT~将（4）代入（16）可得到初级电感的计算式四、开关管的电压应力和电流应力开关管电压应力已经确定，电流峰值由（4）计算。
五、初级电流有效值和导线尺寸初级电流为三角波，峰值为/川，有效值为%=护变压器线圈一般采用铜线或者铜箔绕制，铜的电流密度一般取p=6.5A/mm\体截而积为：lnns/p六、次级电流有效值和导线尺寸次级电流为三角波，峰值为WNJN、,周期为由（14）决定,电流有效值为所需铜导体截面积为：(19)第四节半桥逆变电路半桥逆变（halfbridgeinverter）电路具有结构简单，控制易实现，而且很重要的一点是成本较低，因此公司所有逆变电路都是采用的半桥逆变电路本节将介绍半桥电路的工作原理和LC滤波网络设计1、工作原理如图1,半桥逆变电路由上桥臂（包括开关管Q1和反并二极管D1）、I、•桥臂（包括开关管Q2和反并二极管D2）、滤波电感L1和滤波电容C3组成半桥逆变电路的工作过程为:（1）在逆变正半周，开关管Q1导通，电流的流向如图2,+BUS释放能最为负载提供能屋,同时给滤波电感和滤波电容充电储存能耄，此时Vi处电压为匕血；（2）如图3,开关管02逆变正半周Q1导通时的电流路径Q1截止时，由J：电感电流不能突变，电感电流方向没变，电感两端的电压极性反向，二极管D2导通，Vi处的电压被箝位在-%，电感和电容放电为输出负载提供能崑；（3）如图4,在逆变的负半周，电感电流方向与正半周相反，开关管Q2导通，为输出负载提供能量,并为滤波电感L1和滤波电容C3允电，Vi处的电压为-VBUS；（4）如图5,Q2关断时，电感两端的电压极性反向，二极管D1导通，W处的电压被箝位在匕凉。
L1VoGND—如图6,在一个逆变周期中，设厶为QI的导通占空比，d.为Q2的导通占空比，则有:逆变正半周时d+〉50%,d_<50%:逆变过零点，d+=d_<50%：逆变负半周时d+<50%,d_>50%o在逆变周期的任何时刻，都有d++d_